(Phys.org) -- Zwitserse wetenschappers hebben een snelle, nauwkeurig opto-mechanisch meetsysteem dat kan worden ingebed in een siliciumchip. Deze nieuwe technologie zou een revolutie teweeg kunnen brengen in het domein van sensoren en atoomkrachtmicroscopie.

Resonatoren worden gebruikt om oneindig kleine hoeveelheden materie in de atmosfeer te detecteren. Zo werkt het:wanneer een microscopisch koord in contact komt met een deeltje of een gasmolecuul, het trilt. Elk soort molecuul roept een specifieke trilling op, een beetje zoals een noot op een gitaarsnaar, waardoor het een unieke handtekening krijgt die kan worden gebruikt om het gas of zwevende deeltje in de lucht te identificeren, zelfs in minuscule hoeveelheden. Met collega's Pierre Verlot en Emanuel Gavartin, EPFL-natuurkundige Tobias Kippenberg heeft een cruciale stap gezet in de richting van de ontwikkeling van compactere, gevoelige en nauwkeurige sensoren. Het team heeft een beschrijving van hun apparaat gepubliceerd, die aan boord van een enkele chip kan worden gedragen, in het journaal Natuur Nanotechnologie .

Een schijf van licht

Onderzoekers zijn momenteel in een race om resonatoren te miniaturiseren. Dit slaat ergens op, want hoe kleiner de snaar, hoe sterker het zal reageren wanneer het in contact komt met een deeltje - met andere woorden, hoe kleiner de sensor, hoe gevoeliger het zal zijn. Met een snaar van maar een paar honderd nanometer in diameter, het apparaat dat door Gavartin is ontwikkeld in samenwerking met EPFL's Center for Micronanotechnology (CMi) is een van de meest gevoelige die bij kamertemperatuur kan worden gebruikt.

De wetenschappers gebruiken een laserstraal die in een kleine glazen schijf wordt gericht om de trillingen van de snaar te analyseren. De straal circuleert 1, 000 keer in amper 2 nanoseconden, en verlaat vervolgens de schijf. De string wordt net boven dit fotonenspoor geplaatst, en als het trilt, het verstoort de straal. Door de golflengte van de laser te vergelijken wanneer deze de schijf binnenkomt en wanneer deze de schijf verlaat, de wetenschappers kunnen de bewegingen van de snaar afleiden.

Virtueel koelsysteem

Het belangrijkste obstakel waarmee het team werd geconfronteerd, was een fysiek fenomeen dat bekend staat als 'Brownse beweging'. Dit fenomeen vertraagt ​​de metingen aanzienlijk. Het is een beetje alsof, na een noot op een gitaar te hebben gespeeld, men moest wachten tot de snaar stopte met trillen voordat de volgende noot gespeeld kon worden.

Deze moeilijkheid wordt meestal overwonnen door het systeem te koelen met helium, omdat de Brownse beweging sterk wordt verminderd bij ultrakoude temperaturen. Maar het EPFL-team was in staat een techniek te ontwikkelen die de Brownse beweging verminderde en het systeem toch op kamertemperatuur liet blijven. een laser, de "sonde, ” detecteert bewegingen in de snaar. Het signaal wordt in realtime verwerkt en gebruikt om een ​​tweede laser te moduleren, de “controle, ” die in de schijf wordt geïnjecteerd om de effecten van de Brownse beweging tegen te gaan door een tegenkracht op de snaar uit te oefenen. Het is een soort virtueel koelsysteem.

snel, nauwkeurig en eenvoudig te gebruiken

Met behulp van deze innovatieve techniek, de wetenschappers waren in staat om de tijd tussen metingen 32-voudig te verminderen, terwijl u werkt bij ongeveer 20 °C. Dit niveau van precisie is buitengewoon. “Als in plaats van een string, we hadden een 100 meter lange brug, we konden, alle dezelfde verhoudingen behouden, een vervorming van een enkele nanometer meten, of een tienduizendste van de diameter van een haar, live, ” legt Verlot uit, die een co-auteur was op het papier.

Het bij EPFL ontwikkelde systeem combineert gevoeligheid - dankzij de grootte van het apparaat - en snelheid - dankzij de controlelaser - en dat alles zonder een ingewikkeld en duur koelsysteem te hoeven gebruiken. Volledig geïntegreerd in een siliciumchip, het systeem leent zich voor tal van mogelijke toepassingen, zegt Verlot. “Sensoren zijn niet het enige gebied waarop ons systeem nuttig kan zijn. Bijvoorbeeld, het zou ook kunnen helpen bij het verbeteren van atomaire krachtmicroscopiesystemen - uitgevonden in de jaren tachtig door de Zwitserse natuurkundige Christoph Gerber - en, op een meer fundamenteel niveau, vergemakkelijken de observatie en meting van vele verschijnselen.”